福泉小壩滑坡啟動機理研究

周學琴,林鋒,張洪,王垚

(地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

福泉小壩滑坡啟動機理研究

周學琴,林鋒,張洪,王垚

(地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

2014年8月27日晚8點30分左右，貴州省福泉市發(fā)生了一起嚴重的順向層狀巖質滑坡災難，約141×104m3。本文通過對小壩滑坡現(xiàn)場資料的收集和整理分析，建立了啟動機制概念模型并采用有限元數(shù)值模擬方法對小壩滑坡啟動機制進行了研究。結果表明，滑坡體左側啟動區(qū)由于人工開挖磷礦，導致斜坡的抗滑力減小，從而降低了斜坡的穩(wěn)定性，斜坡發(fā)生蠕滑并在其后緣產(chǎn)生了拉裂縫，導致坡腳出現(xiàn)應力集中。最終在持續(xù)降雨的條件下，坡腳最先出現(xiàn)剪斷破壞，導致啟動區(qū)失穩(wěn)，從而導致整個滑坡的形成。

小壩滑坡；順層巖質滑坡；人工開挖；降雨；數(shù)值模擬

順層巖質滑坡[1,2]是自然界中常見的一種滑坡，發(fā)生頻率較高，給社會造成了嚴重的危害，如意大利瓦伊昂水庫庫岸滑坡、撫順西露天礦滑坡、三峽雞扒子滑坡和成昆鐵路鐵西滑坡等都是順層滑坡帶來災難性后果的著名例子[3]。

2014年8月27日晚8點30分左右，貴州省黔南州福泉市發(fā)生了一起嚴重的順向層狀巖質滑坡災難，滑坡體猛烈沖擊下方礦坑積水，形成類似海嘯的高壓水氣流體，導致了小壩和新灣兩個村民小組的67戶人家房屋被掩埋，造成23人死亡，22人受傷。由于該滑坡的規(guī)模較大，變形過程復雜，給滑坡治理帶來了一些困難。本文通過對小壩滑坡的現(xiàn)場地質調查分析，建立滑坡模式概念模型，并結合數(shù)值模擬方法，對該滑坡啟動機制進行了研究[4,5]，為滑坡的有效治理提供了科學依據(jù)。

1 研究區(qū)工程地質條件

小壩滑坡位于黔南州福泉市道坪鎮(zhèn)英坪村小壩組，屬于低中山區(qū)。地形呈臺階狀，滑前斜坡呈陡緩相間展布，斜坡中下部公路所在的坡段的坡度較緩，局部較陡斜坡坡段，滑前斜坡的外圍地形較陡，斜坡的總體走向為180°～220°。小壩滑坡區(qū)前緣有兩處磷礦的開采，北側暗挖處基巖零星裸露，地形起伏大；南側為明挖，有一深60～80 m，周長520 m，面積為15 241 m2的礦坑，坑內有約三分之一積水。研究區(qū)的地質巖組包括：(1)松軟巖組為第四系(Q)的粘土和亞粘土。(2)堅硬巖組為震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2dy)的白云巖，其巖性堅硬，強度高，但鹽溶化強烈。(3)軟質巖組為震旦系下統(tǒng)燈影組(Z1ds)的磷塊巖、硅質巖等。南華系上統(tǒng)南沱組(Nh2n)的灰綠色、紫紅色冰磧礫巖，清白口系清水江組(Qbq)的灰綠色、灰色中至厚層凝灰?guī)r夾粉砂巖、板巖。

斜坡的中下部存在一條橫貫斜坡中下部的逆斷層，產(chǎn)狀為：N36°E/NW/62°，斜坡的北側存在兩條走向大致為EW的平移斷層，其中距離斜坡較近的這一條平移斷層為近直立(圖1)。在逆斷層下盤陡山沱組三段硅質巖巖體中主要集中發(fā)育有兩組節(jié)理：①S20°～45°W/NW/46°～60°；②S50°～65°E/ SW/77°～88°?？傮w上，陡山沱組三段硅質巖巖體為薄層狀-鑲嵌碎裂結構，節(jié)理裂隙發(fā)育比較密集，巖體結構類型則為碎裂狀結構。本區(qū)發(fā)育的地下水類型主要為碳酸鹽巖類巖溶水，地震基本烈度為Ⅵ度，屬地震穩(wěn)定區(qū)。

2 滑坡特征及啟動機制分析

2.1 滑坡基本特征

小壩斜坡位于高坪背斜東翼，總體形態(tài)呈扇形?；潞缶壐叱碳s為1 430～1 450 m，滑坡前緣抵達小壩、新灣兩個村民組所在的地勢平坦起伏較小的位置，高程約為1 250～1 265 m，前后緣高差約200 m。滑坡前后緣最大水平縱向長度約780 m，滑坡最大水平寬度約470 m。滑坡體總方體量約141×104m3。小壩滑坡坡體組成物質如圖2所示。

2.2 滑坡啟動變形破壞特征分析

根據(jù)現(xiàn)場調查表明，滑坡左側為啟動區(qū)域，啟動方向為150°～160°，與主滑體方向一致。根據(jù)該區(qū)滑源區(qū)內部的微地貌特征將A區(qū)分為主滑體(A1區(qū))和右前緣滑槽(A2區(qū))兩個亞區(qū)(圖1)。

在主滑體左側后部的滑坡堆積體上明顯可見滑坡臺階，靠近滑坡左側邊界的區(qū)域處有一大拉槽，寬度約為40～45 m，總體走向為135°～145°。主滑體右側后部與右側壁之間存在一條延伸長度約140 m、寬度為10～25 cm的裂縫，裂縫的延伸方向為147°～166°，裂縫內可見土黃色的滑帶土，其上可見擦痕，擦痕傾伏向為：140°～150°。說明目前滑坡堆積體的穩(wěn)定性較差，仍處于蠕滑變形當中。坡腳處堆積的南陀組冰磧礫巖可見較明顯的巖石層理和定向排列特征，有疊瓦式堆積特征，推測此處附近即為剪出口，其大致的延伸方向為220°～225°。

滑槽位于滑坡主滑體的右前緣。在斜坡的坡腳位置處，硅質巖塊碎石集中堆積，發(fā)育兩組近正交節(jié)理，巖體結構為薄層狀-鑲嵌碎裂狀結構。區(qū)域內高程約1 310 m以上范圍內，存在許多拉裂縫，一定程度上說明了滑槽上部物質的滑動具有牽引滑動的特征。在拉裂縫或拉槽內，可見清水江組的巖石出露，巖性為灰色、灰綠色的粉砂質板巖，現(xiàn)場測得其產(chǎn)狀為：N10°～15°E/SE/34°～40°?；鄣暮蟛堪l(fā)育有兩組拉裂縫，兩組拉裂縫的走向總體上大致為斜交，其中一條走向為155°～175°，另一條拉裂縫總體走向為220°。這些拉裂縫的總體延伸方向也在一定程度上也說明了滑坡具有牽引滑動的特征。

2.3 滑坡啟動影響因素分析

(1) 人類工程活動

本區(qū)人類工程活動十分強烈，主要表現(xiàn)為對磷礦的開挖和運輸。當?shù)卮迕耖_挖磷礦主要集中在斜坡坡腳，而在斜坡下部的其他位置也存在小規(guī)模少量的磷礦開挖工程，而且在斜坡的下部還存在一條運輸磷礦石的主干公路，后面由于運輸磷礦石的需要又在上方修建了一條公路。由于當?shù)卮迕竦牟傻V活動，嚴重破壞了滑坡體地質環(huán)境，加之工程建設大面積的切坡，邊坡未及時支護，原本松動的坡體極易造成邊坡失穩(wěn)。大量填土堆棄在坡腳，暴雨期易誘發(fā)泥石流和填土滑移失穩(wěn)，沖溝積水浸泡斜坡坡腳，對斜坡的穩(wěn)定性極為不利。

(2) 強降雨作用

根據(jù)氣象資料，2014年8月的降水量為100～200 mm，滑坡發(fā)生之前當?shù)亟涤暌呀?jīng)持續(xù)了近1個月。由于連續(xù)降雨和地下水作用強烈，使巖體中的可溶鹽及親水礦物產(chǎn)生溶解、水解、軟化，使強度降低，并加速了裂隙的發(fā)展，破壞了坡體結構，導致坡體中巖土體軟化，力學強度降低，造成啟動區(qū)前部發(fā)展為加速蠕滑[6]?；掳l(fā)生時正值雨季，礦坑內有三分之一的積水。小壩滑坡發(fā)生后當?shù)?月份出現(xiàn)連續(xù)強降雨天氣，降雨量達到147.9 mm。

2.4 滑坡啟動機理分析

通過對小壩滑坡現(xiàn)場資料的收集和整理分析，小壩滑坡啟動區(qū)失穩(wěn)破壞大致可劃分為3段：坡腳蠕滑階段、后緣拉裂階段以及坡腳剪斷階段[7,8]。

小壩斜坡為中緩傾外順向高邊坡，調查發(fā)現(xiàn)斜坡的中下部存在一條橫貫斜坡中下部的逆斷層，其產(chǎn)狀為：N36°E/NW/62°。由于逆斷層上升盤的上升逆沖作用，使得斷層上盤原本距離地表深度較大的南陀組與清水江組軟巖被抬升，加強了這兩套軟巖地層的風化作用。同時由于逆斷層屬于擠壓性質斷層，在斜坡中下部靠近斷層的一定范圍內形成斷層破碎帶，這也將在斜坡中下部形成物理力學性質都將明顯降低的軟弱帶，對斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。斜坡的北側存在兩條走向大致為EW的平移斷層，其中距離斜坡較近的這一條平移斷層為近直立，正是由于這兩條平移斷層的牽引從而導致了斜坡局部地段巖層產(chǎn)狀的變異。

經(jīng)過當?shù)卮迕竦拈_采，破壞了滑坡體地質環(huán)境，導致斜坡的抗滑力減小，從而降低了斜坡的穩(wěn)定性，斜坡發(fā)生蠕滑并在其后緣產(chǎn)生了拉裂縫，導致坡腳出現(xiàn)應力集中。最終在持續(xù)降雨的條件下，坡腳應力的累積最終打破平衡，導致啟動區(qū)坡腳處首先剪斷失穩(wěn)(圖3)。而坡腳部分相當于鎖固段，失穩(wěn)后上部巖體的勢能轉換為動能向前推擠，從而導致主滑區(qū)受到的坡腳支撐力顯著降低。

3 小壩滑坡啟動機理數(shù)值模擬分析

基于滑坡啟動區(qū)形成機制概念模型，以Ⅴ-Ⅴ′剖面進行數(shù)值模擬研究，進一步認識滑坡形成的機制和過程。在建立了統(tǒng)一的計算模型的基礎上，通過GeoStudio2007這一數(shù)值計算軟件來模擬小壩斜坡前緣坡腳部位磷礦切層開挖變形破壞發(fā)展過程，在斜坡坡腳部位切層開挖磷礦完成基礎上，進行降雨入滲過程分析，最后進行滲流場與自重應力場的耦合分析，通過以上步驟來分析小壩滑坡的啟動機制。

3.1 計算模型的建立

以Ⅴ-Ⅴ′剖面為基礎建模，模型介質概化為12類(表1、圖4)，采用GeoStudio2007中的SIGM/W和SEEP/W模塊進行模擬。耦合分析時，計算模型的左側邊界和右側邊界均采用X方向位移為0的單向支座約束，底邊界采用Y方向位于為0的單向支座約束，模型的上部邊界為自由邊界。在進行滲流場的分析時，計算模型的邊界均采用水力邊界條件約束，左側邊界為定水頭高度1 390 m、右側邊界為定水頭高度1 180 m，而底部邊界為不透水邊界。計算模型的網(wǎng)格尺寸設置為8 m，整個計算模型的節(jié)點數(shù)為2 813，單元個數(shù)為2 775。

3.2 計算結果分析

3.2.1 斜坡前緣坡腳切層開挖作用下坡體啟動區(qū)數(shù)值計算分析

斜坡前緣坡腳部位切層開挖磷礦的過程分6步完成。隨著切層開挖磷礦的進行，坡體總位移的最大值逐漸增加，坡體變形逐漸加劇。由于坡腳的切層開挖導致了斜坡體內的應力重分布，因此產(chǎn)生的應力分布與應力集中將造成變形與破壞，最為明顯的是開挖的礦坑在靠近斜坡體的那一側出現(xiàn)了更為明顯的變形，總位移等值線圖十分密集，總位移大小由坡面至坡里減小(圖5a)。

切層開挖斜坡前緣坡腳部位的磷礦，相當于在斜坡坡腳部位卸荷，這就導致斜坡的應力重分布，從而產(chǎn)生卸荷回彈變形，進而將導致在斜坡內產(chǎn)生拉裂縫影響斜坡的穩(wěn)定。根據(jù)位移矢量圖可以看出，卸荷回彈變形出現(xiàn)在坡腳開挖的地方，位移的方向大體上指向斜坡外部。坡內各點的豎直位移都是豎直向上的，而水平位移都是指向坡腳部位開挖的礦坑的，因而總位移的方向也就是指向開挖的礦坑處(圖5b)。

在開挖過程中，坡體的剪應變隨著開挖的繼續(xù)而不斷增加。根據(jù)最大剪應變等值線圖看出，在坡腳部位和靠近礦坑的巖體中剪應變比較明顯，尤其在逆斷層下盤南陀組冰磧礫巖中產(chǎn)生了更為明顯的剪應變值。在開挖的礦坑內最大剪應變等值線也隨開挖深度的增加而變得越來越密集(圖5c)。

隨著開挖的繼續(xù)，坡體內逐漸產(chǎn)生塑性區(qū)。從塑性區(qū)的分布圖可以看出，斜坡體內塑性區(qū)范圍隨著開挖深度的增加而逐漸擴大，特別是斜坡中部的塑性區(qū)范圍明顯增加(圖5d)。

3.2.2 開挖后強降雨作用下坡體啟動區(qū)數(shù)值計算分析

在進行強降雨后，將滲流場與自重應力場進行耦合分析，結果表明：

總位移的最大值和最小值都隨著降雨的持續(xù)而逐漸增加，礦坑底部的總位移值也在增大，特別是在斜坡后部的位移值增加得更為明顯，總位移等值線也變得更密集(圖6a)。

根據(jù)總位移矢量圖(圖6b)可以看出，有一個朝著坡下的彎曲出現(xiàn)在坡體內部的等值線上，這個彎曲指示了滑坡失穩(wěn)的潛在滑動面的位置，總位移方向大體上是平行于坡表的。

從耦合后的最大剪應變等值線圖(圖6c)看出，剪應變等值線密集范圍隨著降雨的繼續(xù)而擴大，特別是礦坑的底部出現(xiàn)了較大的剪應變值。在坡體內部的剪應變等值線上出現(xiàn)了一個非常密集的帶狀區(qū)域，這個區(qū)域內的剪應變值比其他區(qū)域內的剪應變值要大。從而可以推測出斜坡失穩(wěn)的潛在滑動面可能出現(xiàn)在該帶狀區(qū)域。

根據(jù)耦合后的塑性區(qū)分布圖(圖6d)可以看出，坡體內塑性區(qū)的范圍隨著降雨的持續(xù)作用而逐漸擴展。塑性區(qū)主要出現(xiàn)在斜坡前緣坡腳部位靠近礦坑一定范圍內的巖體中、斷層上盤清水江組凝灰質粉砂巖中以及斷層下盤南沱組和陡山沱一段+二段之間。斷層上盤的潛在滑動面已經(jīng)貫通，而下盤的潛在滑動面已經(jīng)形成。前緣坡腳部位的硬巖已經(jīng)產(chǎn)生較大的塑性變形，斜坡處于臨滑狀態(tài)。

4 結論

(1) 小壩滑坡為順層巖質滑坡，總體方量約141×104m3，滑體的最大運動距離為435 m，屬于大型高速巖質滑坡。

(2) 小壩滑坡是在人工開挖和降雨的共同作用下發(fā)生的，切層開挖磷礦導致斜坡的抗滑力減小，從而降低了斜坡的穩(wěn)定性，斜坡發(fā)生蠕滑并在其后緣產(chǎn)生了拉裂縫，導致坡腳出現(xiàn)應力集中。最終在持續(xù)降雨的條件下，坡腳最先出現(xiàn)剪斷破壞，導致啟動區(qū)失穩(wěn)，從而導致整個滑坡的形成。

(3) 數(shù)值模擬分析表明：在天然狀態(tài)下，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；隨著開挖在清水江組凝灰質粉砂巖與粉砂質板巖的分界面上出現(xiàn)了塑性區(qū)，并隨著礦坑的加深而增加，為蠕滑變形狀態(tài)，而坡腳由于礦坑開挖處于卸荷回彈變形狀態(tài)；沿清水江組粉砂質頁巖與其弱風化的分界上設置地下水位線，此時上盤軟巖處于滑移變形狀態(tài)，巖體處于非飽和狀態(tài)，斜坡穩(wěn)定；隨著降雨持續(xù)，坡體內地下水位上升，巖體基本處于飽水狀態(tài)，坡體物質在地下水加載、強度軟化和水力作用下，逆斷層上盤的塑性區(qū)最先貫通，并且最先進入屈服狀態(tài)，接著逆斷層下盤的軟硬巖界面和硬巖中出現(xiàn)塑性區(qū)，斜坡處于即將失穩(wěn)狀態(tài)。

[1] 白云峰,周德培,王科,等.順層滑坡的發(fā)育環(huán)境及分布特征[J].自然災害學報,2004,13(3):39-43.

[2] 鄒宗興. 順層巖質滑坡演化動力學研究[D].中國地質大學(武漢),2014.

[3] 馮夏庭.智能巖石力學導論[M]．北京:科學出版社,2000.

[4] 張倬元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，2009.

[5] 黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機制[J].巖石力學與工程學報,2007,26(3):433-454.

[6] 韓至均,金占省.貴州省水文地質[M].北京：地震出版社,1996.

[7] 貴州省地質礦產(chǎn)局.貴州省巖石地層[M].武漢:中國地質大學出版社,1997.

[8] 楊勝元,張建江.貴州環(huán)境地質[M].貴陽:貴州科技出版社,2008.

STUDY ON FAILURE MECHANISM OF XIAOBA LANDSLIDE IN FUQUAN

ZHOU Xue-qin,LIN Feng,ZHANG Hong，WANG Yao

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China)

At 8:30 pm. on August 27, 2014, a large consequent bedding rockslides disaster of about 1.41 million m3happened in Fuquan County, Guizhou Province. Through analyzing the field data in the process of collection and arrangement of Xiaoba landslide, failure mechanism conceptual model was established. In addition, its failure mechanism was studied through finite element method. It is concluded that the failure field in the left of slope saw a decrease in the sliding resistance due to the excavation of the phosphate rock, thereby reducing the stability of slope. Creep and fracturing in the rear edge of slope caused stress concentration in toe of the slope. Finally, shear failure was happened in toe of the slope by rainfall duration, which contributed to the landslide formation because of unstable failure of failure field.

Xiaoba landslide;Consequent bedding rockslides;Artificial excavation;Rainfal; Numerical simulation

1006-4362(2015)04-0005-07

2015-06-20改回日期：2015-09-13

973計劃項目(2013CB733201)資助

P642.22

A

周學琴(1989- )，女，碩士研究生，主要從事工程地質方面的研究。E-mail：1038589546@qq.com